KR100762343B1 - 수소이온교환막 연료전지용 가스확산전극 및 막-전극접합체 - Google Patents

수소이온교환막 연료전지용 가스확산전극 및 막-전극접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스확산전극을 포함하여, 수소이온교환막 연료전지의 막-전극 접합체의 제조방법을 개시한다. 가스확산전극의 제조방법은 하기 단계를 포함한다: 전도성 기판을 제조하는 단계; 상기 전도성 기판 상에 탄소함유 물질층을 형성하는 단계; 상기 탄소함유 물질을 구비한 상기 전도성 기판을 예정된 온도에서 압력을 받게 하는 단계; 상기 탄소함유 물질을 구비한 전도성 기판을 압력하에서 냉각시켜 상기 전도성 기판 상에 가스확산층을 얻는 단계; 상기 가스확산층 상에 촉매함유 물질층을 코팅하는 단계; 상기 가스확산층 및 전도성 기판을 구비한 촉매함유 물질층을 또 다른 예정된 온도에서 압력을 받게 하는 단계; 압력하에서 냉각시켜 가스확산전극을 얻는 단계. 현존하는 기술과 비교할 때, 막-전극 접합체 내의 모든 층들이 서로 단단하게 결합되어 있고 쉽게 분리되지 않을 것이다. 나아가, 제조하는 동안, 가스확산전극은 쉽게 뒤틀리지 않는다. 이러한 제조방법은 간단하고, 이행하기가 쉽고, 우수한 재생산성을 가지며 우수한 합성 전기 특성을 갖는 전자 막을 제조할 수 있다.

Description

수소이온교환막 연료전지용 가스확산전극 및 막-전극 접합체{Gas Diffusion Electrodes and Membrane Electrode Assemblies for Proton Exchange Membrane Fuel Cells}
관련출원
본 출원은 2004년 6월 23일자로 출원된 중국특허출원 제200410027867.2호 "수소이온교환막 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법"에서 우선권을 주장한다. 상기 중국출원은 참조로서 여기에 결합되어 있다.
기술분야
본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 가스확산전극을 포함하여, 수소이온교환막 연료전지의 막-전극 접합체 및 그 구성요소의 제조방법에 관한 것이다.
수소이온교환막 연료전지는 연료를 만드는 수소이온과 산소 또는 공기와 같은 산소성 가스 사이의 전기화학적 반응으로부터 전기에너지를 제조하는 장치이다. 이러한 연료전지는 소음 정도가 낮고; 높은 에너지전환효율을 가지며, 환경오염을 일으키지 않기 때문에 미래 전기원(electrical source)의 하나이다. 이는 소형 휴대용 전기 전원공급기, 소형 가정용 전력 발생기, 및 전기자동차에서 전원으로 사용될 수 있다.
수소이온교환막 연료전지의 코어는 막-전극 접합체이다. 이는 전기화학반응이 일어나는 곳이며, 수소이온 및 전자를 위한 동시 전도 기능이 필요한 곳이다. 이의 구조와 특성은 수소이온교환막 연료전지의 합성 전기 특성에 중대한 영향을 끼친다.
현재, 이러한 막-전극 접합체를 제조하는 몇 가지 다른 방법이 있다. 이러한 방법에 사용되는 촉매의 양 또한 점차적으로 줄어들고 있다. 막-전극 접합체를 제조하는 종래의 방법은, 촉매, 예정된 양의 용매, 결합제 및 수소이온교환수지를 혼합하는 단계; 초음파로 균일하게 분산시키는 단계; 전도성 탄소종이 또는 탄소천 상에 상기 촉매 페이스트를 균일하게 코팅하는 단계; 열로 건조시키는 단계; 촉매층의 표면에 수소이온교환수지 용액층을 스프레이 코팅하여 전극과 수소이온교환막 사이에 계면을 형성하는 단계, 예정된 온도 및 압력에서 상기 음극, 양극 및 수소이온교환막을 함께 고온가압(hot-pressing)하여 유닛(unit)을 형성하는 단계로 이루어진다. 이러한 막-전극 제조방법은 간편함에도 불구하고, 탄소종이 상의 확산 및 촉매층의 표면이 항상 균일하게 매끄러울 수 없다. 건조후, 이러한 표면은 거칠고 불균일하게 되면서, 상기 촉매층의 촉매 활용률을 감소시킨다. 게다가, 거친 표면은 또한 촉매층과 수소이온교환막 사이의 계면에 나쁜 접촉을 가져와, 결함이 쉽게 발생하고 막-전극의 특성에 영향을 주게 된다.
중국특허 CN1471186A, "연료전지에 사용되는 전해질막의 결합, 이러한 형태의 연료전지의 사용 및 그 제조방법"은 전사프린팅(transfer printing)을 이용하여 막 전극을 제조하는 방법을 개시하였다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다: 촉매를 고분자 전해질과 혼합하는 단계; 전사프린팅을 위한 얇은 슬라이스 위에 혼합물을 코팅하는 단계; 촉매 페이스트를 열로 건조하는 단계; 촉매층을 구비한 얇은 슬라이스 및 수소이온교환막을 함께 고온, 고압에서 누름으로써 접합하는 단계; 슬라이스를 벗겨내는 단계; 및 가스확산층을 구비한 촉매층을 고온가압하여 세 층이 하나로 접합되어 완전한 MEA를 형성하는 단계를 포함한다. 이 제조방법은 촉매층과 막 사이의 계면이 연속적이기 때문에 더 얇은 촉매층을 갖는 전극 제조를 가능하게 한다. 그러나, 이 제조방법은 다양한 단계를 포함하기 때문에 복잡하다. 나아가, 전사프린팅 과정에서, 촉매층 일부가 슬라이스에 쉽게 접착되고 슬라이스과 함께 벗겨질 수 있다. 따라서, 축매층의 전사가 항상 완전하지 않을 수 있고 촉매층의 평탄도가 언제가 고르지 않을 수 있기 때문에 전극 특성이 영향을 받는다.
따라서, 상기 종래기술의 한계로 인하여, 편리하고, 쉽고, 빠르며, 우수한 합성 전기 특성을 갖는 막-전극을 제조하는 막-전극 접합체의 새로운 제조방법을 갖는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 편리하고, 쉽고, 빠른 수소이온교환막 연료전지의 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 합성 전기 특성을 갖는 막 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
간단하게, 본 발명은 가스확산전극을 포함하여, 수소이온교환막 연료전지의 막-전극 접합체의 제조방법을 개시한다. 가스확산 전극의 제조방법은 하기 단계를 포함한다: 전도성 기판을 제조하는 단계; 상기 전도성 기판 상에 탄소함유 물질층을 형성하는 단계; 상기 탄소함유 물질을 구비한 전도성 기판을 예정된 온도에서 압력을 받게 하는 단계; 상기 탄소함유 물질을 구비한 전도성 기판을 압력하에서 냉각시켜 상기 전도성 기판 상에 가스확산층을 얻는 단계; 상기 가스확산층 상에 촉매포함 물질층을 코팅하는 단계; 가스확산층 및 전도성 기판을 구비한 촉매포함 물질층을 또 다른 예정된 온도에서 압력을 받게 하는 단계; 압력하에서 냉각시켜 가스확산전극을 형성하는 단계를 포함한다. 막-전극 접합체의 제조는 하기 단계를 포함한다: 두 가스확산전극을 막(membrane)의 두 면에 배치하고 정렬하는 단계, 막을 구비한 이들 두 가스확산전극을 예정된 온도에서 압력을 받게 하는 단계, 그리고 상기 막을 구비한 확산전극을 압력하에 냉각시켜 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이점은 본 발명의 제조방법이 편리하고, 쉽고, 빠르다는 것이다.
본 발명의 또 다른 이점은 본 발명의 방법을 이용하여 제조된 막-전극은 우수한 합성 전기 특성을 갖는다는 것이다.
바람직한 실시예의 상세한 설명
가스확산전극의 실시예의 제조
가스확산전극의 제조를 위한 본 발명의 현재 바람직한 실시예는 하기 단계를 포함한다:
전도성 기판을 제조하는 단계;
상기 전도성 기판 상에 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
제 1 고온가압(hot-pressing)하는 단계, 즉 상기 제 1 탄소함유 물질층을 구비한 상기 전도성 기판을 예정된 온도(제 1 고온가압 온도)에서 예정된 압력(제 1 고온가압 압력)을 받게 하는 단계;
압력(제 1 냉각압력) 하에서 제 1 냉각시켜 상기 전도성 기판 상에 가스확산층을 얻는 단계;
상기 가스확산층 상에 촉매물질층을 코팅하는 단계;
제 2 고온가압하는 단계, 즉 상기 가스확산층 및 촉매물질층을 구비한 상기 전도성 기판을 예정된 온도(제 2 고온가압 온도)에서 예정된 압력(제 2 고온가압 압력)을 받게 하는 단계; 및
압력(제 2 냉각압력) 하에서 제 2 냉각시켜 가스확산전극을 형성하는 단계.
바람직한 방법에서, 하나 이상의 하기 조건이 선택될 수 있다:
?제 1 탄소함유 물질층을 구비한 상기 전도성 기판의 제 1 고온가압은 20℃ 및 120℃ 사이의 제 1 고온가압 온도에서 0.05 및 5Mpa 사이의 제 1 고온가압 압력으로 30초 내지 300초 동안 수행된다;
?제 1 냉각은 자연적으로 또는 물을 이용하여 수행된다;
?제 1 냉각압력은 0.05Mpa 및 5Mpa 사이이다;
?고온가압 후 가스확산층의 두께는 100 및 600마이크로미터(micrometers) 사이이다;
?제 1 고온가압 후 가스확산층의 두께는 제 1 고온가압 전의 제 1 탄소함유 물질층의 두께보다 1 내지 20% 작다. 즉, 제 1 고온가압 후 가스확산층의 두께는 제 1 고온가압 전의 제 1 탄소함유 물질층의 두께의 80% 내지 99%이다;
?상기 촉매물질은 이소프로필 알코올 및 물의 혼합물인 용매를 포함한다;
?상기 촉매물질은 기공형성제를 포함한다. 기공형성제는 암모늄 비카보네이트, 암모늄 포메이트, 암모늄 아세테이트 또는 암모늄 옥살레이트일 수 있다;
?상기 촉매물질은 Pt/C촉매, 용매, 기공형성제 및 나피온(Nafion) 용액의 혼합물이다;
?상기 촉매물질에서, Pt/C촉매, 용매, 기공형성제 및 나피온(Nafion) 용액의 비는 1-30:10-100:3-30:1-10이다;
?상기 Pt/C촉매에서 Pt의 함량은 20 및 40% 사이이다;
?상기 촉매물질은 스프레이 코팅(spray coating) 또는 브러시 코팅(brush coating)에 의하여 가스확산층 상에 코팅된다;
?제 2 고온가압은 20℃ 및 120℃ 사이의 제 2 고온가압 온도 및 0.05Mpa 및 5Mpa 사이의 제 2 고온가압 압력에서 10초 내지 300초 동안 수행된다;
?제 2 냉각은 자연적으로 또는 물을 이용하여 수행된다;
?제 2 냉각압력은 0.05Mpa 및 5Mpa 사이이다;
?고온가압 후 상기 가스확산층의 두께는 150 및 800 마이크론(microns) 사이이다; 및
?제 2 고온가압 후 가스확산전극의 두께는 제 2 고온가압 전의 촉매물질층을 구비한 전도성 기판의 두께보다 1 내지 20% 작다. 즉, 제 2 고온가압 후 가스확산전극의 두께는 제 2 고온가압 전의 촉매물질층 및 가스확산층을 구비한 전도성 기판의 두께의 80% 내지 99%이다.
막-전극 접합체의 제조
막-전극 접합체의 제조를 위한 현재 바람직한 방법은 하기 단계를 포함한다:
두 가스확산전극 사이에 막(membrane)을 배치하고 정렬시키는 단계;
제 3 고온가압하는 단계, 즉 두 가스확산전극을 구비한 상기 막을 예정된 온도(제 3 고온가압 온도)에서 예정된 압력(제 3 고온가압 압력)을 받게 하는 단계; 및
압력(제 3 냉각압력) 하에서 제 3 냉각시켜 막-전극 접합체를 형성하는 단계.
바람직한 방법에서, 하나 이상의 하기 조건이 선택될 수 있다:
?사용되는 막은 나피온 막, 바람직하게는 나피온 112 막 또는 나피온 115 막 또는 동일 시리즈의 다른 나피온 막이다;
?제 3 고온가압은 100℃ 및 140℃ 사이의 제 3 고온가압 온도 및 3Mpa 및 10Mpa 사이의 제 3 고온가압 압력에서 30초 내지 300초 동안 수행된다;
?제 3 냉각은 자연적으로 또는 물을 이용하여 수행된다;
?막-전극 접합체의 두께는 350 및 1700마이크론 사이이다.
전도성 기판의 제조
전도성 기판을 제조하기 위한 현재 바람직한 방법은 하기 단계를 포함한다:
탄소함유 물질(제 2 탄소함유 물질)을 예정된 온도(제 1 유지온도)에서 유지하는 단계;
상기 제 2 탄소함유 물질을 예정된 온도(제 2 유지온도)에서 유지하는 단계; 및
냉각시켜 전도성 기판을 얻는 단계.
상기 제 2 탄소함유 물질을 제조하기 위한 현재 바람직한 방법은 하기단계를 포함한다:
탄소함유 물질(제 4 탄소함유 물질)을 제 1 PTFE 물질과 같은 제 1 PTFE 물질에 적시는 단계;
상기 적셔진 제 4 탄소함유 물질을 상기 제 1 PTFE 물질로부터 제거하는 단계; 및
상기 적셔진 제 4 탄소함유 물질을 건조시켜 제 2 탄소함유 물질을 형성하는 단계.
바람직한 방법에서, 하나 이상의 하기 조건이 선택될 수 있다:
?상기 제 4 탄소함유 물질은 탄소종이 또는 탄소천일 수 있다.
?상기 제 1 PTFE 물질에서 PTFE의 농도는 2% 및 35% 사이이다.
?상기 적셔진 제 4 탄소함유 물질은 20℃ 및 80℃ 사이의 온도에서 열로 건조된다;
?제 2 유지온도는 상기 제 1 유지온도보다 높다;
?상기 제 1 유지온도는 240℃ 및 290℃ 사이이다;
?상기 제 2 유지온도는 300℃ 및 360℃ 사이이다;
?제 1 유지온도는 15분 및 30분 사이 동안 유지된다; 및
?제 2 유지온도는 15분 및 30분 사이 동안 유지된다.
제 1 탄소함유 물질층의 제조
제 1 탄소함유 물질층을 형성하기 위한 바람직한 방법은 하기 단계를 포함한다:
상기 전도성 기판 상에 제 3 탄소함유 물질을 코팅하는 단계;
건조시키는 단계;
상기 제 3 탄소함유 물질을 제 3 유지온도에서 유지하는 단계;
상기 제 3 탄소함유 물질을 제 4 유지온도에서 유지하는 단계; 및
냉각시켜 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계.
바람직한 방법에서, 하나 이상의 하기 조건이 선택된다:
?상기 제 3 탄소함유 물질은 VXC-72 카본블랙 및 PTFE 페이스트와 같은 제 2 PTFE 물질의 페이스트 혼합물이거나, 또는, 아세틸렌 블랙 및 PTFE 페이스트와 같은 제 2 PTFE 물질의 페이스트 혼합물일 수 있다;
?제 2 PTFE 물질에서 PTFE의 함량은 5% 및 40% 사이이다;
?상기 제 3 탄소함유 물질은 스프레이 코팅 또는 브러시 코팅에 의하여 가스확산층 상에 코팅된다;
?상기 제 2 탄소함유 물질의 건조는 20℃ 및 80℃ 사이의 온도에서 열로 수행된다;
?제 4 유지온도는 제 3 유지온도보다 높다;
?상기 제 3 유지온도는 240℃ 및 290℃ 사이이다;
?상기 제 4 유지온도는 300℃ 및 360℃ 사이이다;
?상기 제 3 유지온도는 15분 및 30분 사이 동안 유지된다;
?상기 제 4 유지온도는 15분 및 30분 사이 동안 유지된다; 및
?상기 제 3 및 제 4 유지온도를 유지한 뒤 상기 냉각단계에서, 냉각은 자연적으로 또는 물을 이용하여 수행되어 상온으로 된다.
현재의 기술에 비하여, 본 발명의 세 단계의 가압 방법, 가스확산층, 가스확산전극, 및 막-전극의 가압은 다른 층들 사이에 더 단단한 접착을 이루어 상기 층들이 쉽게 분리되지 않는다. 고온가압 후 압력을 가한 조건 하에 냉각시킴으써 제조되는 전극은 쉽게 뒤틀리거나 결합을 발생시키지 않을 것이다. 나아가, 이러한 방법들은 또한 촉매층과 수소이온교환막 사이에 우수한 접촉을 형성한다. 이는 막 전극의 특성을 향상시킨다. 이러한 제조방법은 간단하고, 쉬우며, 우수한 재생산성을 갖는다.
하기 방법들은 본 발명을 더 기술한다.
실시예 1
본 실시예의 막-전극 접합체의 제조방법은 전도성 기판, 가스확산전극, 마지막으로 막-전극 접합체의 제조를 포함한다. 전도성 기판의 제조는 하기 단계를 포함한다:
탄소종이 또는 탄소천과 같은 탄소함유 물질(제 4 탄소함유 물질)을 PTFE 페이스트에 적시는 단계;
20℃ 및 80℃ 사이의 온도에서 열로 건조시키는 단계;
적셔진 탄소종이 또는 탄소천을 로(爐)(furnace)에 배치하는 단계;
로(爐)의 온도를 240℃ 및 290℃ 사이로 올리는 단계;
상기 온도를 15 내지 30분 동안 유지하는 단계;
온도를 300℃ 및 360℃ 사이로 올리는 단계; 및
온도를 15 내지 30분 동안 유지하여 전도성 기판을 얻는 단계.
가스확산전극의 가스확산층의 제조는 하기 단계를 포함한다:
VXC-72 카본블랙 또는 아세틸렌 블랙을 PTFE 페이스트와 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계, 여기서 PTFE 페이스트의 PTFE 함량은 5% 및 40% 사이이다;
스프레이 코팅 또는 브러시 코팅에 의하여 전도성 기판을 상기 페이스트로 코팅하는 단계;
상기 페이스트를 20℃ 및 80℃ 사이의 온도에서 열로 건조하는 단계;
건조된 페이스트를 구비한 상기 전도성 기판을 로(爐)에 배치하는 단계;
온도를 240℃ 및 290℃ 사이로 올리는 단계;
온도를 15분 내지 30분 동안 유지하는 단계;
온도를 300℃ 및 360℃ 사이로 올리는 단계;
온도를 15분 내지 30분 동안 유지하는 단계;
상온으로 냉각시켜 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
카본블랙(제 1 탄소함유 물질)을 구비한 전도성 기판을 20℃ 및 120℃ 사이의 온도 및 0.05Mpa 및 5Mpa 사이의 압력에서 30초 내지 300초 동안 제 1 고온가압하는 단계; 및
0.05Mpa 및 5Mpa 사이에서 압력을 유지하면서 자연적 또는 물을 이용하여 제 1 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 100 및 600마이크론 사이의 두께를 갖는 가스확산층을 얻는 단계. 이 두께는 제 1 탄소함유 물질의 두께보다 1% 및 20% 사이에서 작다.
가스확산전극의 제조는 하기 단계를 포함한다:
Pt/C촉매, 용매, 기공형성제 및 나피온 용액을 균일하게 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계, 여기서 상기 Pt/C촉매에서 Pt 함량은 20% 및 40% 사이이고, 상기 용매는 이소프로필 알코올 및 물의 혼합물이고; 상기 기공형성제는 암모늄 비카보네이트, 암모늄 포메이트, 암모늄 아세테이트 또는 암모늄 옥살레이트와 같은 휘발성 화학약품이고; 상기 촉매: 용매: 기공형성제: 나피온 용액의 비는 1-30:10-100:3-30:1-10이다;
전도성 기판을 구비한 가스확산층 상에 스프레이 코팅 또는 브러시 코팅에 의하여 상기 촉매 페이스트를 코팅하는 단계;
20℃ 및 120℃ 사이의 온도 및 0.05Mpa 및 5Mpa 사이의 압력에서 10 내지 300초 동안 제 2 고온가압하는 단계;
0.05Mpa 및 5Mpa 사이의 압력을 유지하면서 자연적으로 또는 물에 의하여 제 2 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 가스확산전극을 얻는 단계. 상기 제 2 고온가압 후 가스확산전극의 두께는 150마이크론 및 800마이크론 사이이다. 이 두께는 상기 제 2 고온가압 전 상기 가스확산층 및 상기 촉매물질층을 구비한 전도성 기판의 두께보다 1% 내지 20% 작다.
쓰리-인-원(three-in-one) 막-전극 접합체의 제조는 하기 단계를 포함한다:
촉매층을 구비한 두 가스확산전극 사이에 나피온 막을 배치하고 정렬하는 단계, 여기서 사용되는 나피온 막은 나피온 112, 나피온 115 막 또는 그러한 시리즈의 다른 막일 수 있다;
100℃ 및 140℃ 사이의 온도 및 3Mpa 및 10Mpa 사이의 압력에서 30 내지 300초 동안 제 3 고온가압하는 단계; 및
3Mpa 및 10Mpa 사이의 압력에서 자연적으로 또는 물을 이용하여 상온으로 제 3 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 막-전극 접합체를 얻는 단계. 상기 제 3 고온가압 후 쓰리-인-원 막-전극 접합체의 두께는 350마이크론 및 1700마이크론 사이이다.
실시예 2
본 실시예의 막-전극 접합체의 제조방법은 전도성 기판, 가스확산전극, 및 마지막으로 막-전극 접합체의 제조를 포함한다. 전도성 기판의 제조는 하기 단계를 포함한다:
페이스트내 PTFE 함량이 10%인 PTFE 페이스트에 탄소종이를 적시는 단계;
50℃ 온도에서 열로 건조시키는 단계;
상기 건조된 종이를 로(爐)에 배치하는 단계;
상기 로(爐)의 온도를 240℃로 올리는 단계;
상기 온도를 30분 동안 유지하는 단계;
온도를 360℃로 올리는 단계; 및
상기 온도를 30분 동안 유지하여 전도성 기판을 얻는 단계.
가스확산전극의 제조는 하기 단계를 포함한다:
VXC-72 카본블랙을 PTFE 페이스트와 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계, 여기서 상기 페이스트내 PTFE의 함량은 10%이다;
전도성 기판을 상기 페이스트로 스프레이 코팅하는 단계;
상기 코팅된 전도성 기판을 40℃에서 열로 건조시키는 단계;
상기 건조된 전도성 기판을 로(爐)에 배치하는 단계;
로(爐)의 온도를 240℃로 올리는 단계;
상기 온도를 30분 동안 유지하는 단계;
온도를 360℃로 올리는 단계;
상기 온도를 30분 동안 유지하는 단계;
상온으로 냉각시켜 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
카본블랙(제 1 탄소함유 물질)층을 구비한 냉각된 전도성 기판을 120℃ 및 1MPa의 압력에서 100동안 제 1 고온가압하는 단계;
1MPa의 압력에서 자연적으로 제 1 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 200마이크론 두께의 가스확산층을 얻는 단계;
촉매, 용매, 기공형성제, 및 나피온용액을 초음파로 균일하게 혼합함으로써 촉매 페이스트를 조제하는 단계, 여기서 촉매는 Pt/C이고, 상기 Pt의 함량은 20%이고, 용매는 이소프로필 알코올 및 물의 혼합물이며; 기공형성제는 암모늄 비카보네이트이고; 촉매: 용매: 기공형성제: 나피온 용액의 비는 5:100:3:3이다;
확산층 상에 촉매 페이스트를 코팅하는 단계, 여기서 코팅방법은 스프레이 코팅일 수 있다;
80℃온도 및 0.5MPa의 압력에서 60초 동안 제 2 고온가압하는 단계; 및
0.5MPa의 압력에서 자연적으로 제 2 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 220마이크론 두께의 가스확산전극을 형성하는 단계.
막-전극 접합체를 제조하는 방법은 하기 단계를 포함한다:
고온가압으로부터 얻어진 두 가스확산전극 사이에 처리된 나피온 115 막을 배치하고 정렬하는 단계;
120℃의 온도 및 5MPa의 압력에서 100초 동안 제 3 고온가압하는 단계;
열로부터 즉시 제거하는 단계; 및
5MPa의 압력에서 자연적으로 상온으로 제 3 냉각시켜, 분리를 피하고 470마이크론 두께의 쓰리-인-원 막-전극 접합체를 얻는 단계.
실시예 3
본 실시예의 막-전극 접합체의 제조방법은 전도성 기판, 가스확산전극, 및 마지막으로 막-전극 접합체의 제조를 포함한다. 전도성 기판의 제조는 하기 단계를 포함한다:
페이스트에서 PTFE의 함량이 5%인 PTFE 페이스트에 탄소종이를 적시는 단계;
60℃ 온도에서 열로 건조시키는 단계;
상기 건조된 종이를 로(爐)에 배치하는 단계;
상기 로(爐)의 온도를 250℃로 올리는 단계;
상기 온도를 20분 동안 유지하는 단계;
온도를 350℃로 올리는 단계;
상기 온도를 15분 동안 유지하여 전도성 기판을 얻는 단계.
가스확산전극의 제조는 하기 단계를 포함한다:
아세틸렌 블랙을 PTFE 페이스트와 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계, 여기서 상기 페이스트내 PTFE의 함량은 20%이다;
전도성 기판을 상기 페이스트로 스프레이 코팅하는 단계;
상기 코팅된 전도성 기판을 80℃에서 열로 건조하는 단계;
상기 건조된 전도성 기판을 로(爐)에 배치하는 단계;
로(爐)의 온도를 250℃로 올리는 단계;
상기 온도를 20분 동안 유지하는 단계;
온도를 350℃로 올리는 단계;
상기 온도를 15분 동안 유지하는 단계;
상온으로 냉각시켜 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
카본블랙(제 1 탄소함유 물질)층을 구비한 냉각된 전도성 기판을 100℃ 및 0.5MPa의 압력에서 30초 동안 제 1 고온가압하는 단계;
0.5MPa의 압력에서 물을 이용하여 제 1 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 가스확산층을 얻는 단계, 여기서 제 1 고온가압 후 가스확산층의 두께는 상기 제 1 고온가 압 전 상기 제 1 탄소함유 물질층을 구비한 전도성 기판의 두께보다 10% 적다;
촉매, 용매, 기공형성제, 및 나피온 용액을 초음파로 균일하게 혼합함으로써 촉매 페이스트를 조제하는 단계, 여기서 촉매는 Pt/C이고 Pt의 함량은 40%이고, 용매는 이소프로필 알코올 및 물의 혼합물이고; 기공형성제는 암모늄 옥살레이트이고; 촉매: 용매: 기공형성제: 나피온 용액의 비는 6:80:10:10이다;
가스확산층 상에 촉매 페이스트를 코팅하는 단계, 여기서 프린팅이 코팅방법일 수 있다;
100℃의 온도 및 1MPa의 압력에서 30초간 제 2 고온가압하는 단계; 및
1MPa의 압력에서 물로 제 2 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 가스확산전극을 얻는 단계, 여기서 상기 제 2 고온가압 후 가스확산전극의 두께는 상기 제 2 고온가압 전 상기 가스확산층 및 상기 촉매물질층을 구비한 상기 전도성 기판의 두께보다 12% 작다.
막-전극 접합체의 제조방법은 하기 단계를 포함한다:
제 1 및 제 2 고온가압으로부터 얻어진 두 가스확산전극 사이에 처리된 나피온 112 막을 배치하고 정렬하는 단계;
130℃의 온도 및 8MPa의 압력에서 200초간 제 3 고온가압하는 단계;
열로부터 즉시 제거하는 단계; 및
8MPa의 압력에서 물을 이용하여 상온으로 제 3 냉각시켜, 분리를 피하고 520마이크론 두께의 쓰리-인-원 막-전극 접합체를 얻는 단계.
실시예 4
본 실시예의 막-전극 접합체의 제조방법은 전도성 기판, 가스확산전극, 및 마지막으로 막-전극 접합체의 제조를 포함한다. 전도성 기판의 제조는 하기 단계를 포함한다:
페이스트에서 PTFE의 함량이 35%인 PTFE 페이스트에 탄소종이를 적시는 단계;
80℃ 온도에서 열로 건조시키는 단계;
상기 건조된 종이를 로(爐)에 배치하는 단계;
상기 로(爐)의 온도를 290℃로 올리는 단계;
상기 온도를 15분 동안 유지하는 단계;
온도를 340℃로 올리는 단계; 및
상기 온도를 20분 동안 유지하여 전도성 기판을 얻는 단계.
가스확산전극의 제조는 하기 단계를 포함한다:
아세틸렌 블랙을 PTFE 페이스트와 혼합하여 페이스트를 형성하는 단계, 여기서 상기 페이스트내 PTFE의 함량은 40%이다;
전도성 기판을 상기 페이스트로 스프레이 코팅하는 단계;
상기 코팅된 전도성 기판을 20℃에서 열로 건조시키는 단계;
상기 건조된 전도성 기판을 로(爐)에 배치하는 단계;
로(爐)의 온도를 290℃로 올리는 단계;
상기 온도를 15분 동안 유지하는 단계;
온도를 340℃로 올리는 단계;
상기 온도를 25분 동안 유지하는 단계;
상온으로 냉각시켜 제 1 탄소함유 물질층을 얻는 단계;
카본블랙(제 1 탄소함유 물질)층을 구비한 냉각된 전도성 기판을 20℃ 및 5MPa의 압력에서 300초 동안 제 1 고온가압하는 단계;
5MPa의 압력에서 물로 제 1 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 가스확산층을 얻는 단계, 여기서 제 1 고온가압 후 가스확산층의 두께는 600마이크론으로, 상기 제 1 고온가압 전 제 1 탄소함유 물질층의 두께보다 20% 작다;
촉매, 용매, 압력에서 물로 제 2 냉각시켜, 뒤틀림을 피하고 가스확산전극을 얻는 단계, 여기서 상기 제 2 고온가압 후 가스확산전극의 두께는 150마이크론으로, 제 2 고온가압 전 가스확산층 및 촉매물질층을 구비한 전도성 기판의 두께보다 1% 작다.
막-전극 접합체의 제조방법은 하기 단계를 포함한다:
제 1 및 제 2 고온가압으로부터 얻어진 두 가스확산전극 사이에 처리된 나피온 112 막을 배치하고 정렬하는 단계;
100℃의 온도 및 3MPa의 압력에서 30초 동안 제 3 고온가압하는 단계;
열로부터 즉시 제거하는 단계; 및
3MPa의 압력에서 물을 이용하여 상온으로 제 3 냉각시켜, 분리를 피하고 350마이크론 두께의 쓰리-인-원 막-전극 접합체를 얻는 단계.
본 발명은 참조와 함께 일정한 바람직한 실시예로 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정 실시예에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 오히려, 발명이 하기 청구항에 의하여 반영되는 바와 같이 가장 넓은 의미에서 이해되고 해석되어야 한다는 것이 발명자의 취지이다. 따라서, 이들 청구항들은 여기에 기술된 바람직한 실시예 뿐만 아니라 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 모든 다른 것들 및 더 나아가 변경예 및 수정예를 일체화하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 전도성 기판 상에 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
    제 1 고온가압 압력 및 제 1 고온가압 온도에서 상기 제 1 탄소함유 물질층을 구비한 전도성 기판을 제 1 고온가압(hot-pressing)하는 단계;
    제 1 냉각압력에서 제 1 냉각시켜, 상기 전도성 기판 상에 가스확산층을 형성하는 단계;
    상기 가스확산층 상에 촉매물질층을 코팅하는 단계;
    제 2 고온가압 압력 및 제 2 고온가압 온도에서 제 2 고온가압하는 단계; 및
    제 2 냉각압력에서 제 2 냉각시켜 가스확산전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 가스확산전극의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 기판을 제조하기 위한 방법은
    제 2 탄소함유 물질을 제 1 유지온도에서 제 1 유지시간 동안 유지하는 단계; 및
    상기 제 2 탄소함유 물질을 제 2 유지온도에서 제 2 유지시간 동안 유지하여 상기 전도성 기판을 얻는 단계;
    를 포함하는 가스확산전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 물질층의 형성단계는
    상기 전도성 기판 상에 제 3 탄소함유 물질층을 코팅하는 단계;
    상기 제 3 탄소함유 물질층을 제 3 유지온도에서 제 3 유지시간 동안 유지하는 단계;
    상기 제 3 탄소함유 물질층을 제 4 유지온도에서 제 4 유지시간 동안 유지하여 상기 전도성 기판 상에 상기 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계; 및
    선택적으로, 상기 전도성 기판 상에 제 1 탄소함유 물질층을 형성하기 위하여 냉각시키는 단계;
    의 하부 단계를 더 포함하는 가스확산전극의 제조방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 1 유지시간, 제 2 유지시간, 제 3 유지시간 또는 제 4 유지시간은 독립적으로 15분 내지 30분이고, 상기 제 1 유지온도 또는 제 3 유지온도는 독립적으로 240℃ 및 290℃ 사이이고, 상기 제 2 유지온도 또는 제 4 유지온도는 독립적으로 300℃ 및 360℃ 사이인 가스확산전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 고온가압 온도 및 제 2 고온가압 온도는 독립적으로 20℃ 및 120℃ 사이이고, 상기 제 1 고온가압 압력 및 제 2 고온가압 압력은 독립적으로 0.05MPa 및 5MPa 사이이고, 상기 제 1 냉각압력 및 제 2 냉각압력은 독립적으로 0.05MPa 및 5MPa 사이인 가스확산전극의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 가스확산전극의 두께는 상기 제 1 고온가압 단계 전에 제 1 탄소함유 물질층 두께의 80% 내지 99%이고, 상기 가스확산전극의 두께는 상기 제 2 고온가압 단계 전에 상기 가스확산층 및 상기 촉매 물질층을 구비한 전도성 기판 두께의 80% 내지 99%인 가스확산전극의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 촉매물질은 Pt/C촉매, 용매, 기공형성제 및 나피온(Nafion) 용액을 포함하는 혼합물인 가스확산전극의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 Pt/C촉매: 용매: 기공형성제: 나피온(Nafion) 용액의 비는 1-30 : 10-100 : 3-30 : 1-10 이고, 상기 용매는 이소프로필 알코올 및 물의 혼합물이고, 상기 기공형성제는 암모늄 비카보네이트, 암모늄 포메이트, 암모늄 아세테이트 또는 암모늄 옥살레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 암모늄 화합물인 가스확산전극의 제조방법.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 탄소함유 물질층을 제조하기 위한 방법은
    제 1 PTFE 물질에서 PTFE의 함량이 2% 및 35% 사이인 제 1 PTFE 물질에 제 4 탄소함유 물질을 적시는 단계;를 포함하는 가스확산전극의 제조방법.
  10. 제 3항에 있어서, 상기 제 3 탄소함유 물질은
    제 2 PTFE 물질과 VXC-72 카본블랙, 아세틸렌 블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 탄소 물질의 혼합물인 가스확산전극의 제조방법.
  11. 전도성 기판 상에 제 1 탄소함유 물질층을 형성하는 단계;
    제 1 고온가압 압력 및 제 1 고온가압 온도에서 상기 제 1 탄소함유 물질층을 구비한 상기 전도성 기판을 제 1 고온가압하는 단계;
    제 1 냉각압력에서 제 1 냉각시켜 상기 전도성 기판 상에 가스확산층을 형성하는 단계;
    상기 가스확산층 상에 촉매물질층을 코팅하는 단계;
    제 2 고온가압 압력 및 제 2 고온가압 온도에서 제 2 고온가압하는 단계;
    제 2 냉각압력에서 제 2 냉각시켜 가스확산전극을 형성하는 단계;
    두 가스확산전극 사이에 막을 배치하는 단계, 여기서 각 가스확산전극은 상기 제 2 냉각단계 후 얻어지는 가스확산전극이다;
    제 3 고온가압 압력 및 제 3 고온가압 온도에서 제 3 고온가압하는 단계; 및
    제 3 냉각압력에서 제 3 냉각시켜 막-전극 접합체를 얻는 단계;
    를 포함하는 수소이온교환 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 두께는 제 3 고온가압 단계 전 두 가스확산전극을 구비한 상기 막 두께의 80% 및 99% 사이인 막-전극 접합체의 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 제 3 고온가압 온도는 100℃ 및 140℃ 사이이고, 상기 제 3 고온가압 압력은 3Mpa 및 10Mpa 사이이고, 상기 제 3 냉각압력은 3Mpa 및 10Mpa인 막-전극 접합체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0941181A (ja) * 1995-08-03 1997-02-10 Choichi Furuya ガス拡散電極の製造方法

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